Кубанский государственный технологический университет

Пирамидальная форма некоторых атомных ядер подтверждена детальными расчетами

05-01-2012
Молекулы в форме пирамидки — явление обыденное. Расчеты показывают, что пирамидальной формой могут обладать и некоторые ядра (изображение с сайта www.physchem.co.za)

Вычисления показывают, что некоторые атомные ядра могут иметь вид правильных многогранников со скругленными углами. В частности, получившаяся в вычислениях пирамидальная форма ядра помогает понять одну из загадочных черт изотопа гадолиния-156.

В физике атомов и молекул можно проследить одну интересную тенденцию: молекулы с высокой симметрией часто оказываются более устойчивыми, чем их менее симметричные собратья. Понять это можно так: если с одной стороны молекулы есть связи покрепче, а с другой — послабее, то такая молекула разрушится (хотя бы в одном месте) легче, чем если бы все связи были одинаковой «средней силы». А для этого надо, чтоб молекула была очень симметричной.

Один из самых известных примеров такой ситуации — это фуллерен, каркасная молекула C60. В этой молекуле атомы углерода расположены очень правильным образом, в форме футбольного мяча, и из-за высокой симметрии у нее просто нет «слабых мест». В то же время, аналоги фуллерена, имеющие чуть больше или чуть меньше шестидесяти атомов, обладают более бедным набором симметрий и потому оказываются менее устойчивы.

В последние годы возникло подозрение, что похожий эффект проявляется и в устройстве атомных ядер. Устойчивость тяжелых ядер определяется тем, насколько крепко удерживаются самые слабо связанные нуклоны (протоны и нейтроны), принадлежащие самой внешней оболочке. Если они находятся на разных уровнях энергии — то есть какие-то связаны сильнее, а какие-то слабее, — то такое ядро будет менее устойчивым, чем ядро, в котором все слабо связанные нуклоны оказываются в одинаковых условиях. А добиться такой ситуации можно, если внешней оболочке придать форму правильного многогранника.

Ежи Дудек (Jerzy Dudek) из страсбургского Университета им. Луи Пастера и его коллеги из Франции, Польши и Испании уже длительное время занимаются теоретическим изучением этой идеи. Несколько лет назад в их статье J. Dudek et al., Physical Review Letters 88, 252502 (2002), доступной также как nucl-th/0205059, на основании теоретико-группового анализа было выдвинуто предположение, что тенденция к пирамидальной и октаэдральной форме должна прослеживаться практически у всех ядер (подробности читайте в популярной заметке А может быть, все ядра — тетраэдры?). Правда, конкретных указаний на какие-то особенно симметричные ядра в той статье не было.

В недавнем выпуске журнала Physical Review Letters появилась их новая статья J. Dudek et al., Physical Review Letters 97, 072501 (15 August 2006), посвященная поиску ядер экзотической формы. На этот раз авторы разработали специальный вычислительный пакет, позволяющий реалистично моделировать ядра, и провели тщательное изучение нескольких сот ядер для химических элементов с номера 60 (неодим) по номер 76 (осмий) периодической таблицы Менделеева.

Вычисления выявили целую группу ядер, которые просто неспособны быть круглыми. Пытаясь распределить нуклоны внешней оболочки как можно более равномерным способом, ученые замечали, что ядро само стремится либо сплющиться, либо превратиться в пирамидку со скругленными углами. Согласно вычислениям, основное энергетическое состояние этих ядер имеет сплюснутую форму, однако среди возбужденных состояний есть много «пирамидок».

Открытие в атомных ядрах нового типа симметрии интересно и само по себе, но, как выяснилось, вдобавок оно дает ключ к разрешению одной из загадок ядерной физики, связанной с изотопом гадолиния-156.

Как и у всех тяжелых ядер, у этого изотопа есть большое число разнообразных возбужденных состояний. Точно так же, как и возбужденные состояния электронов в атоме, эти ядерные состояния, испустив квант света, могут превратиться в менее возбужденные. Те, в свою очередь, превращаются в еще менее возбужденные и так далее, по цепочке. До определенного момента теоретическое описание этих переходов прекрасно согласуется с опытом, но начиная с некоторого уровня наступает полное несоответствие: распады идут совсем не так, как говорит теория. Объяснения этого странного поведения до сих пор не было.

Необоснованное предположение в этих расчетах, говорят авторы, состояло в том, что ядро всегда, во всех возбужденных состояниях считалось сплюснутым эллипсоидом. Сейчас же выясняется, что многие из них на самом деле являются пирамидками. Оказывается, достаточно учесть этот факт, и наступает прекрасное согласие с опытными данными.

В заключение статьи авторы выражают надежду, что новые, более точные экспериментальные данные по вероятностям переходов возбужденных состояний подтвердят предложенное ими объяснение, а также что их подход позволит «просканировать» всю периодическую таблицу элементов и найти еще более впечатляющие реализации правильных многогранников в ядерной физике.

Игорь Иванов

См. также: Smallest Pyramids in the Universe, AIP Physics News Update, № 789-1.

‹‹